Macht neue Technologie es vorteilhaft, Walking Rover zu haben?

Grundsätzlich ist es wahrscheinlich unvermeidlich, dass Sie Energie aufwenden müssen, um sich mit einem zuverlässigen Roboterfahrzeug über einen längeren Zeitraum auf einer rauen Oberfläche fortzubewegen. 10 km auf Kies zu laufen ist mehr Arbeit als auf einer ebenen Fläche, weil sich der Kies bewegt und Energie zerstreut. 10 km über Felsen zu gehen, die sich nicht bewegen, verbraucht immer noch Energie, weil man gegen die Schwerkraft auf und ab gehen muss, und wir gewinnen diese Energie nicht zurück.

oben: Darstellung einiger zufällig ausgewählter, potenziell interessanter Körper des Sonnensystems. Horizontale Achse: Oberflächengravitation (etwas verwandt mit der Energie, die benötigt wird, um sich fortzubewegen) als Verhältnis zu der auf dem Mars. Vertikale Achse: Ungefähre Intensität des Sonnenlichts im Verhältnis zu der auf dem Mars - geschätzt durch das Verhältnis der großen Halbachse zur -2-Potenz. Die Venus wird zweimal aufgeführt – an der Spitze der Atmosphäre, wo Flugzeuge wie Roboterballons und Roboterflugzeuge beträchtliche Lichtmengen sammeln können, und an der Oberfläche, wo nur wenige Prozent der röteren Teile des Sonnenlichts ankommen.

oben: Seite 6 von Venus Aircraft - Design Evolution 2000-2008, Geoffrey A. Landis, NASA John Glenn Research Center . Oberhalb von 50 km ist mehr Sonnenlicht verfügbar als auf der Erde - näher an der Sonne und die Möglichkeit, reflektiertes Licht von unten zu sammeln (wie dies bei der ISS um die Erde der Fall ist), um eine gewisse Wolkendecke auszugleichen.

oben: Seite 32 von Venus Aircraft - Design Evolution 2000-2008, Geoffrey A. Landis, NASA John Glenn Research Center . Die sehr dichte Atmosphäre macht Motorflug sehr attraktiv (auch Ballonfahren). So schnell wie der Wind zu fliegen, wäre jedoch in den meisten Höhen eine energetische Herausforderung.

Robotic Area Vehicles könnten mögliche zukünftige Missionen für die Atmosphäre der Venus sein. Es ist eine große Reichweite, aber Dinge, die sich von dem in dieser Antwort ausführlich diskutierten und unten gezeigten Festo Air Penguin inspirieren lassen, und dem Festo Air Ray (nicht gezeigt) sind möglicherweise möglich.

oben: Festo Air Penguin diskutiert hier mehr .

oben: Festo Robot Balloon liefert auf Abruf eine Flasche Wasser. Dies wäre auf der Venus aus mehreren Gründen viel schwieriger, aber die höhere atmosphärische Dichte bedeutet, dass Ballons eine wesentlich schwerere Nutzlast tragen könnten und es nicht notwendig wäre, Helium für den Auftrieb zu verwenden.

oben: Festo Bionicopter könnte sich die dichtere Atmosphäre auf der Venus zunutze machen. Es könnte auch einige Beine gebrauchen!

Mehr über das Vega-Programm mit Roboterballons auf der Venus in Wikipedia , in Wired und in The New Scientist sowie über zukünftige Möglichkeiten mit der Venus Exploration Group (VEXAG) der NASA und dem European Venus Explorer (EVE) der ESA .

Räder haben den Menschen über Jahrtausende gute Dienste geleistet. Durch Tausende von Kilometern an Versuch und Irrtum sowie durch erstaunliche Ingenieurskunst haben sie Mobilitätsprobleme für Menschen hier auf der Erde und auf mehreren anderen Körpern des Sonnensystems gelöst.

Die bei weitem größte Menge an detaillierten Erfahrungen, Bildern und Messungen der Radleistung von Roboterfahrzeugen außerhalb der Welt stammt von den drei Rovern auf dem Mars.

oben: Vergleich von Mars Rover-Rädern . Links: Sojourner der Mars-Pathfinder-Mission . Mitte: Mars Exploration Rovers (MER) ( Spirit and Opportunity ). Rechts: Neugier des Mars Science Laboratory (MSL) .

oben: Curiosity-Selbstporträt an der Big-Sky-Bohrstelle .

oben: Ausschnitt aus dem Curiosity-Selbstporträt am Big-Sky-Bohrstandort .

oben: „ Lageplan – Curiosity-Rover am Fuße des Mount Sharp – vom Weltraum aus gesehen (MRO; HiRISE; 4. Februar 2016/Sol 1243) .“ Sie müssen dies in einem separaten Fenster öffnen und hineinzoomen, um die Traildetails zu sehen, beginnend auf der rechten Seite des oberen Rands. Beachten Sie, dass der Pfad als Kompromiss zwischen der Wissenschaft und dem Bereich gewählt wird, in dem die Räder als sicher genug eingeschätzt werden, um zu fahren, ohne stecken zu bleiben oder das Fahrzeug zu beschädigen.

Eine der Aufgaben des Mobilitätssystems von Curiosity besteht darin, ein großes Paket von wissenschaftlichen Instrumenten von Curiosity über große Entfernungen zu transportieren, damit Informationen von einer Vielzahl von Orten gesammelt werden können.

oben: Curiosity Robotic Arm beim Anbringen eines Bohrers an Marsfelsen. Die Proben werden dann gesammelt und zur weiteren Analyse mit einer Vielzahl von Analysegeräten zu Orten innerhalb von Curiosity transportiert.

oben: Noch Neugierde ... in der Raumfahrzeug-Montageanlage des Jet Propulsion Laboratory der NASA in Pasadena, Kalifornien . Sogar nur in der Oberflächengravitation des Mars$\frac{3}{8}$der Erde muss all diese wissenschaftliche Ausrüstung zusammen ziemlich schwer sein! Der Roboterarm wird oft vergessen, weil er in vielen Selfies von Curiosity nicht so auftaucht, wie Ihre Hand oder das Geschäftsende Ihres Selfie-Sticks nicht auftauchen. Aber wenn Sie sich das "Selfie" der Bohrstelle Big Sky ein paar Bilder weiter oben genau ansehen, können Sie den Schatten auf der Oberfläche sehen!!

Während der Big Dog von Boston Dynamics aus verschiedenen Gründen mit fossilen Brennstoffen betrieben wurde (siehe diese Boston Dynamics-Konferenzfortschritts-PDF ), einschließlich Leistungsdichte und Demonstrationen für bestimmte nichtwissenschaftliche "Missionen", sind Spot , SpotMini (in der Frage gezeigt) und LittleDog elektrisch angetrieben, und LittleDog scheint für den Einsatz außerhalb der Welt oder zumindest im Hinterkopf gebaut zu sein.

LittleDog hat vier Beine, die jeweils von drei Elektromotoren angetrieben werden. Die Beine haben einen großen Bewegungsspielraum. Der Roboter ist stark genug für Kletter- und dynamische Fortbewegungsgänge. Der Bordcomputer auf PC-Ebene übernimmt die Erfassung, Aktuatorsteuerung und Kommunikation. Die Sensoren von LittleDog messen Gelenkwinkel, Motorströme, Körperorientierung und Fuß-/Bodenkontakt. Steuerungsprogramme greifen über die Boston Dynamics Robot API auf den Roboter zu. Integrierte Lithium-Polymer-Akkus ermöglichen 30 Minuten Dauerbetrieb ohne Aufladen. Drahtlose Kommunikation und Datenprotokollierung unterstützen den Fernbetrieb und die Datenanalyse. Die Entwicklung von LittleDog wird vom DARPA Information Processing Technology Office finanziert.

oben: Little Dog-Schnittbild von Boston Dynamics

oben: Video von Little Dog , der von hier aus über das Gelände klettert .

oben: Video des batteriebetriebenen Spots von Boston Dynamics, der über Gelände klettert und sich gut mit „Hockey Stick Guy“ ( hier mit Kommentar auf YouTube und in Wired ) versteht, obwohl er von ihm getreten wurde.

Vermutlich kann ein Haupt-Roboter-Rover auch einen oder mehrere hochmobile Rover zur Probensammlung tragen. Ähnlich wie der Roboterarm von Curiosity Proben sammeln und sie zum "Labor" in Curiosity transportieren kann, können Mini-Rover für Messungen, Bilder, Kartierung (per Telemetrie oder Datenübertragung bei der Rückkehr) sowie einige Arten der Probennahme. Während das Bohren Kraft erfordert und Curiosity Masse und Hebelwirkung benötigt, könnte ein cleverer Roboter einen Hebel zwischen Felsen oder Wänden finden und möglicherweise sogar Steine ​​​​bewegen, um die Situation zu verbessern.

Diese Typen sehen aus, als wären sie bereit, überall im Sonnensystem hinzugehen!

oben: Der Sandfloh von Boston Dynamic startet überall! Stellen Sie sich nun vor, dies würde auf einem Körper mit geringer Oberflächengravitation passieren. Suborbital (außer in extremen Fällen wie Kometen oder kleinen Asteroiden), aber es ist ein Transport von Punkt A nach Punkt B. Benötigt robuste Elektronik und Sensoren, um Kopfschmerzen zu vermeiden, aber möglicherweise gut für die Probensammlung und das Scouting.

Derzeit verwendet es gespeichertes komprimiertes Gas für mehrere Sprünge (siehe unten). Man könnte sich einige interessante Ideen vorstellen, um das Gas aus einer Atmosphäre wiederaufladbar zu machen oder durch einen elektromagnetischen Linearmotor (winziges, unverlierbares, schienenkanonenartiges Ding) zu ersetzen.

Das Folgende stammt aus dem Sandfloh-Datenblatt (denken Sie daran, dass die Spezifikationen für die Schwerkraft der Erdoberfläche gelten!):

SandFlea ist ein kleiner Roboter mit bemerkenswerter Mobilität. Der 11-Pfund-Roboter fährt auf leichtem Gelände wie ein herkömmliches Radfahrzeug, springt jedoch auf schwierigem Gelände bis zu 8 m hoch. Es kann 25 Mal springen, indem es den Kolbenantrieb und die Kraftstoffversorgung an Bord verwendet. Sprünge von 1-8 m Höhe sind vom Benutzer wählbar. Speziell konstruierte Räder dämpfen den Aufprall bei der Landung. Flug- und Landelage des Roboters werden automatisch durch ein integriertes Stabilitätssystem gesteuert.

• Kontrollierbare Hopfenhöhe, 1-8 m
• Steuerbarer Startwinkel
• Springe präzise durch Fenster oder Türen, auf Tische, Treppen hinauf, auf oder von Dächern oder Balkonen
• Kolbenantrieb
• Laserbasierte Entfernungsmessung, um den Start zu steuern
• Operator Control Unit (OCU) mit Live-Video-Feed für den Remote-Betrieb
• Roboter und OCU passen beide in einen kleinen Rucksack

oben: Boston Dynamics sagt :

Der Roboter verwendet eine Kreiselstabilisierung, um während des Flugs waagerecht zu bleiben, eine klare Sicht von der Bordkamera zu bieten und eine sanfte Landung zu gewährleisten.

oben: RHex von Boston Dynamic geht durch die Gegend - vielleicht auf der Suche nach Wasser?

Allerdings bräuchten sie entweder eigene winzige RTGs, eigene Solarpanels oder müssten vom Hauptroboter aufgeladen und dann wieder aufgeladen werden. Dies kann durch Kontakt erfolgen, oder durch hochresonantes induktives Laden – das im Handumdrehen tatsächlich eine erhebliche Lücke von einigen Metern überbrücken kann – oder einfach durch optisches Laden – Laser bis hin zu speziellen Photovoltaikanlagen wie dieser:

oben: Quadrocopter Anschauliches Beispiel eines kleinen Fahrzeugs, das von einem Lichtstrahl mit Strom versorgt wird. Hinweis: Eine Öffnung von 5 Zentimetern kann Energie über viele Kilometer „strahlen“, wenn die atmosphärischen Effekte minimal und die Bewegung minimal sind.

Ein möglicher Grund kann der Technologie-Reifegrad dieser Laufmaschinen sein , wenn man sowohl die Mechanik als auch die unterstützende Elektronik berücksichtigt: Die Radlösung kann als „gut genug“ für die aktuellen Missionsziele angesehen werden und hat die beste Zuverlässigkeit für den Betrieb in dieser Umgebung.

[BEARBEITEN]

Dank der nützlichen Kommentare wurde mir klar, dass ich eine sehr schlecht unterstützte Antwort gegeben habe, also werde ich das wirtschaftliche Modell hinter meiner Einzeile zeichnen.

In der Grafik können Sie auf der y-Achse eine Variable ablesen, „Level Of Technology Required for the Mission Scope (LOT)“, die sich als Summe aus beispielsweise Zuverlässigkeit für die Dauer der Mission, erforderliche Robustheit denken lässt für die geplanten Erkundungen, den Energieverbrauch innerhalb der Missionsbedingungen und so weiter.

Auf der y-Achse platzieren wir das Jahr. Unterschiedliche Linien sind unterschiedliche Technologien: Ich zeichnete radbasierte Rover, auf Beinbewegungen basierende Roboter und, um die Analyse weiter zu projizieren, eine Hoverboard-ähnliche Drohne.

Für jede Planetenerkundungsmission ist die LOT nahezu konstant: Es kann minimale Abweichungen geben, falls wir möchten, dass der Rover auf flachem Gelände fährt oder einen Berg besteigt (Mars) oder über statt unter Eis (Europa) navigiert, aber die Hauptparameter sind Geländezusammensetzung auf Rover-Größenebene (Dichte des Bodens, Betriebstemperatur usw.). Für mein Modell betrachte ich sie als konstant.

Das Modell ist nicht maßstabsgetreu, da die Variablen nur eine grobe Annäherung an die Realität sind, aber ich halte den Mars für größere Herausforderungen als den Mond für einige bekannte Eigenschaften, die bereits von Rovern und Satelliten erforscht wurden, und Merkur und Europa sogar noch herausfordernder, nur wegen der Missionsbeschränkung tatsächlich dorthin gehen (Entfernung) und Geologie (Eisflächen, extreme Temperaturbereiche).

Das Abfangen zwischen der radbasierten Erkundung und Moon LOT repräsentiert Apollo-Missionen, während das Abfangen mit Mars LOT Mars-Rover repräsentiert. Wenn wir diese Linie in der Zukunft planen, werden wir möglicherweise Fortschritte in der Technologie haben, die Räder auch auf Merkur und Europa ermöglichen werden.

Auf der anderen Seite befinden sich auf Beinen basierende Roboter auf einer unbekannten Flugbahn: Wir können sie als angemessen für die Erforschung der Erde betrachten, aber noch nicht für die Mission auf anderen Planeten. Dasselbe gilt für Hoverboards: Wir haben noch mehr Unbekannte. Aber abhängig von der Geschwindigkeit des Fortschritts dieser Technologien kann es vorkommen, dass der eine oder andere einen Schnittpunkt mit dem radbasierten Ansatz erreicht, und in diesem Fall gibt es keinen vernünftigen Grund, sie nicht als die „beste“ Option zu betrachten verfügbar.

So extrem, die Hoverboard-Linie ist vertikal, da wir vielleicht denken, dass Hoverboards unter allen Bedingungen und in jedem Gelände fahren, daher werden sie die beste Wahl sein, sobald sie eingeführt werden.

Möglicherweise möchten wir das Modell mit so vielen Parametern wie möglich füllen (z. B. können mehr Mittel, die für die beinbasierte Technologie erwartet werden, die beinbasierte Linie nach oben kippen, während neue Materialien zur Steigerung der Energieeffizienz alle Linien kippen könnten), aber Ich denke, wir sollten uns damit auseinandersetzen, dass die Situation jetzt so ist:

Die Menge an Informationen, die erforderlich ist, um ein präzises Modell zu erstellen, ist einfach zu viel, und ich denke, eine klare Antwort ist verfrüht, ohne in Spekulationen zu verfallen: Wir haben einfach noch nicht genug Daten.

(Modell abgeleitet von Clayton Christensen, „ The Innovator’s Dilemma “)

tl;dr:

All diese (zusätzlichen) Freiheitsgrade bedeuten, dass die (Gelenk-)Räder Dinge tun können, die die Mars-Rover mit ihren Rocker-Bogie-Aufhängungen einfach nicht können.

Wie wäre es mit Beinen mit Rädern, die gleichzeitig eine Kombination aus Rollen und ein wenig Gehen ausführen?

Wackelräder könnten dazu beitragen, dass Rover nicht auf dem Mars sterben; Unkonventionelle Gangarten verhindern, dass dieser Rover in schwierigem Gelände stecken bleibt

Dieser RP15-Rover in voller Größe, den Sie kurz in dem Video gesehen haben, war ein Testbett für den Resource Prospector-Rover , der 2022 einige potenziell eisige Teile des Erdmonds erkunden sollte. Resource Prospector wurde 2018 eingestellt, und noch einige mehr dessen, was es tun sollte, wurde als Teil des VIPER-Mondrover wiederbelebt . Aber das Radsystem von VIPER ist ganz anders. Der RP15-Prototyp verwendet ein Vierraddesign, aber die Räder befinden sich auf einer Art betätigtem Aufhängungssystem, das es ihnen ermöglicht, sich auf und ab und vorwärts und rückwärts zu bewegen sowie sich um die vertikale Achse zu drehen. All diese Freiheitsgrade bedeuten, dass die Räder Dinge tun können, die die Mars-Rover mit ihren Drehgestellaufhängungen einfach nicht können .

Wir untersuchten zuerst einen Open-Loop-Gang, der aus Tests der Krabbelfähigkeiten von RP15 bei JSC abgeleitet wurde. Frühere Studien zeigten, dass verschiedene Open-Loop-Strategien für das Klettern auf körnigen Hängen ausreichend waren, wenn die Dynamik des Bewegungsapparates es ihm erlaubte, wiederholt in ungestörte Medien einzudringen. Wir haben diese Gangart beim Mini Rover implementiert, indem wir zyklisch mit drei Anhängen nach hinten gekehrt sind, während sich ein Anhängsel angehoben hat, um sich vom Medium zu lösen, und außerdem alle vier Räder mit einer konstanten Geschwindigkeit von 2,1 rad/s durchdrehen lassen. Dieser Gang wird hinsichtlich seiner Fußstellung, die um die Fortbewegungsanhänge des Rovers herumfährt, als Quadrupedal-Rotationssequenz(RS)-Gang klassifiziert.

In dem Artikel gibt es noch viel mehr, die Blockzitate dienen nur dazu, zu demonstrieren, dass ein etablierter "Gang" Teil der Funktionsweise dieser merkwürdigen "Walking Wheel" -Implementierung ist.